城市干线协调控制的仿真建模评价系统设计——《交通运输系统模拟》课程设计.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除城市干线协调信号控制的仿真建模评价系统设计交通运输系统模拟课程设计目 录1选题背景与仿真目的11.1选题背景11.1.1计算机仿真11.1.2交通系统仿真21.2仿真目的32系统描述与分析42.1系统构成分析42.1.1系统构成42.1.2基本参数52.1.3评价指标62.2关键问题分析与解决62.2.1单信号交叉口分析62.2.2干线信号协调控制分析73系统建模83.1宏观建模83.1.1状态变量83.1.2事件定义83.1.3系统状态83.2系统流程图94仿真建模114.1模型结构114.2微观建模及算法114.2.1车辆到达模型114.2.2车辆行驶模型124.2.3车辆交叉口转弯模型124.2.4信号灯判断模型124.2.5行人过街干扰模型134.2.6 排队计数模型及算法134.2.7排队计时算法144.2.8延误算法144.3仿真策略144.4进程推进机制155仿真系统初步设计185.1输入模块185.2仿真子模块185.3输出指标19此文档仅供学习与交流1 选题背景与仿真目的1.1选题背景1.1.1计算机仿真 计算机的出现为仿真技术的发展提供了现代手段，随着计算机及相关信息技术的发展，计算机逐步成为仿真研究的主要手段，仿真进入了以计算机技术为支撑的信息时代。 计算机仿真是以计算机为平台建立系统模型并进行实验和分析的技术，计算机仿真随着计算机技术及相关信息技术的发展而进步。随着1946年第一台数字计算机诞生，20世纪40年代出现了模拟计算机仿真。在随后的近60年中，数字计算机迅速发展，计算能力和信息处理能力快速提高，数字计算机仿真逐步替代模拟计算机仿真成为普遍采用的方法。 计算机仿真突破了物理仿真的限制，以物质形式存在的模型被以抽象形式成抽象与实物相结合的形式存在的模型所替代。不同的模型可在同一台计算机上建立与运行，并可方便、灵活、高效地进行多次重复的实验，仿真实验的结果也可以借助计算机储存、表现、分析。，从而将仿真技术提高到了前所未有的水平，仿真的应用也因之扩展到大部分工程领域。 计算机仿真包括三个要素，即系统、模型和计算机联系这三个要素的有三个基本活动：系统模型建立、仿真模型建立和仿真实验。三者之间基本关系如下：图1.1-1计算机仿真三要素及其关系1.1.2交通系统仿真 交通仿真是60年代以来，随着计算技术的进步而发展起来的采用计算机数字模型来反映复杂交通现象的交通分析方法，属于计算机数字仿真范畴。交通仿真是计算机仿真技术在交通工程领域的一个重要应用。在交通仿真技术出现之前，交通工程师多采用经验方法和数学分析方法来分析交通现象。然而，交通系统是一个典型的复杂系统，系统内要素的状态及其相互作用规律受多维随机因素的影响，往往难以用经验模型或数学分析模型来准确地描述。传统交通分析方法的局限性在60年代计算机化的交通信号控制系统出现以后显得尤为的突出，当时的交通工程师们希望找到一种更有效的交通分析方法来优化交通控制的信号参数设计，从而开始了交通仿真的研究。交通仿真是复现交通流时间空间变化的技术。交通仿真模型的建立以及交通仿真实验系统的开发是交通仿真研究的两个核心内容。其中把交通仿真按照模型描述程度的不同分为三个类型：（1）微观交通仿真模型 其对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高。在描述和评价路网交通流状况方面具有传统数学模型所无法比拟的优越性。例如，微观交通仿真模型对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，车辆在道路上的跟车、超车及车道变换行为等微观行为都能得到较真实的反映。（2）中观交通仿真模型其对交通系统的要素及行为的细节描述程度较高。例如，中观交通仿真模型对交通流的描述往往以若干辆车构成的队列为单元的，能够描述队列在路段和节点的流人流出行为，对车辆的车道变换之类的行为也可以简单的方式近似描述。（3）宏观交通仿真模型其对交通系统的要素及行为的细节描述处于一个较低的程度。宏观模型的重要参数是车辆速度、密度和流量。例如，交通流可以通过流密速关系等些集聚性的宏观模型来描述。象车辆的车道变换之类的细节行为可能根本就不予以描述。宏观交通仿真模型对计算机资源要求较低，它的仿真速度很快，主要用于研究交通基础设施的新建与扩建及宏观管理措施等。根据目前计算机硬件的发展水平，可以在大规模的路网范围内进行交通宏观仿真。城市交通是城市生活的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志，对城市的经济发展和人民生活水平的提高起着极为重要的作用。随着社会的进步和汽车工业的发展、城市机动车拥有量的急剧增加，世界各大城市道路交通拥堵现象日益严重。机动车保有量的突飞猛进，既给城市经济的繁荣带来新的机遇，也给城市带来交通拥堵、环境污染等问题。我国从80年代中期开始，国民经济持续高速发展、城市化进程加快以及机动化水平的提高，导致交通供需矛盾日益尖锐、城市交通状况日渐恶化，出行难已成为困扰人们生活的首要问题。最近几年来机动车保有量急剧增加，交通供需更加不平衡，交通拥挤更加严重，尤其是在一些大中城市，交通拥挤以及由此形成的社会公害，已成为我国城市面临的极其严重的“城市病”之一，严重时甚至导致城市整体或局部功能的瘫痪。城市交通干线是保证城市社会经济活动正常运转的主动脉,其畅通与否对提高整个路网的行车速度及运营效率都起着举足轻重的作用。在城市交通干线的评价方面，已有许多学者做过深入的研究，并得到了丰富的成果。为城市交通干线评价提供了相应评价指标，对干线服务情况评价，协调控制方案评价等提供相应依据。同时现有对城市交通干线进行评价的系统也有较多种。然而，现有的一些对城市干线评价分析仿真的软件往往存在评价不完整的问题。这些评价仿真系统或以干线关键交叉口为评价对象，或局限于单个或几个技术指标的评价，较难综合反映干线的整体运行状态。1.2仿真目的对城市交通干线的综合评价实质上是对影响道路交通状况的人、车、路及环境等各种要素作系统的综合效应分析。评价成果可用于对城市道路系统局部（如特定交叉口、特定路段）分析,评价其交通设施状况、交通流特征及提供服务水平的情况,为寻求城市交通症结点、优化路网结构以及规划未来路网提供科学依据，因而提出一种实用的、科学的干线评价方法是很有必要的。科学全面评价干线公路的交通运行状态，可以发现产生拥挤的原因所在，为交通管理者制定交通运行管理措施提供科学的依据；可以更清楚地掌握干线公路的交通运行规律，为交通规划、设计提供参考；有利于开展区域干线公路路网交通调度工作，进而充分发挥干线公路路网的整体效益，提高路网运营管理水平和服务水平。1、通过对网络交通流运行状况的分析，可以为城市交通控制系统的控制效果做出评价。交通控制效果评价对于交通控制系统的开发和引进都有着十分重要的意义。从理论上看，可以为信号配时设计提供依据，使配时参数的优化选择变得更加合理科学；从实践上看，可以对交通控制的效果进行定量评价，为交通决策提供科学依据；通过对已有系统进行评价，得到系统运行质量及其变化情况，以便决定是否要对其进行更新和改造，同时可以直观地看出该系统应用后的效果，为系统的选择提供定量参考指标。2、为用户出行提供决策支持。为了减轻交通拥挤和交通事故所造成的影响，为交通参与者提供及时、可靠的交通状态信息是非常必要的。出行者可以按照实时的路网信息，选择合适的出行路径，减少出行费用。3、为交通管理部门的交通管理组织提供依据，有效地减轻城市交通拥挤程度。路网交通状态的评价可以应用于交通信息系统、动态路线诱导系统中，以便更合理的诱导交通出行，使交通需求趋于更有利于系统健康运行的方向发展，提高路网的运行效率。综上所述，本系统，在各入口随机产生车辆，记录路段内各车辆位置速度等信息，生成路段车辆状态文件，同时选用多种评价指标对干线交通进行仿真。旨在对干线进行较为准确的评价，同时对相应影响因素进行判别，从而为相位设置，干线协调等提供相应较为准确的参考。2 系统描述与分析2.1系统构成分析2.1.1系统构成本系统旨在对不同时段城市干线信号协调控制效果进行评价，通过不同参数的输入，输出相应的指标，从而方便对干线信号协调控制进行评价和优化。根据城市道路交叉口规划规范（GB50647-2011）规定，平面交叉口规划范围应包括构成平面交叉口各条道路的相交道路和进口道、出口道及其向外延伸的路段所共同围成的空间，我小组研究干线协调控制，因此选择三个相邻交叉口及连接路段为我们系统的范围。这里我们的实体有交叉口、路段以及车辆，其中车辆是临时实体，其属性包括：车辆的到达规律、车型、位置、车速、跟驰行为、加减速度、行驶方向、转弯方向、转弯拐角等。其中参数包括车辆车型比例、所处的车道编号、加减速度、行驶方向、转弯转角等。状态变量包括车辆位置、车速、驾驶行为等。交叉口和路段属于永久实体，其属性包括：标志、标线、车道数、车道宽度、道路转弯半径、坡度、视距等。其中参数有车道数、车道宽度、标志、标线坡度等。2.1.2基本参数为了设计评价仿真系统，我组成员阅读了大量文献，分析干线系统形成要素，得出了影响信号交叉口以及干线协调控制效率的各类要素：（1） 支路车辆、行人到达特性：车辆分布 （2） 车辆属性（3） 干道车辆流量的时变特性（4） 信号交叉口距离（5） 信号相位（6） 信号配时（7） 相位差（8） 车道情况表2-1 构成要素表编号名称定义A1车辆到达特性车辆到达分布规律A2行人干扰特性行人干扰分布规律A3车辆属性车辆速度、加速度等A4干道车流时变特性分为高峰和平峰时段A5交叉口距离两交叉口间路段长度A6交叉口信号相位分为两相位、四相位等A7信号配时交叉口信号配时方案A8相位差相邻交叉口相位时差A9车道情况车道宽度、车道数2.1.3评价指标通过对同类型仿真软件的调查与使用情况，我们最终确定以下几个输出变量作为评价干线协调控制效果的指标：（1） 延误时间（2） 排队长度表2-2 评价指标表编号名称定义B1总延误周期总延误B2平均延误平均每辆车的延误B3排队长度干道车辆的排队长度B4平均车速车辆通过干线全程的均速2.2关键问题分析与解决2.2.1单信号交叉口分析图2-3 单信号交叉口模型为建立干线交叉口的整体模型，先对单交叉口进行分析，这里的信号交叉口均为四相位。以东西方向为研究对象，车辆从东进口进入时，有左转、直行、右转三个行驶方向，其中右转车辆不受信号控制，只需考虑车辆的左转与直行：（1） 车辆行驶方向与绿灯方向相同，则车辆直接通过交叉口；（2） 车辆行驶方向与绿灯方向不一致，则车辆停车，排队等待，此时计算排队长度；（3） 行人过街对机动车带来的干扰使延误增加；2.2.2干线信号协调控制分析图2-4 干线协调信控模型以东西向三个相邻的四相位交叉口建立干线信号协调控制模型，在单信号交叉口模型的基础上，以东西主干道车流的通行效率为对象研究：（1） 不同进口车辆到达不同，行人过街会对干道车辆的的延误和排队长度造成影响；（2） 相邻交叉口的距离与相位差设置对干道车辆的影响；（3） 路段车道数及宽度对延误的影响；（4） 期望车速是固定值，加速度随状态变化。3 系统建模3.1宏观建模3.1.1状态变量: 第I个交叉口东西主干道信号状态；:第I个交叉口j方向上的排队长度，i=1,2,3，j=东西，西东；:第i个交叉口j方向的到达车辆数，i=1,2,3，j=东西，西东；:第i个交叉口j方向的离开车辆数，i=1,2,3，j=东西，西东；:第i个交叉口j方向上的排队时间，i=1,2,3，j=东西，西东； ：模拟时间;:第k辆车通过交叉口i的车速； D:车头间距3.1.2事件定义表3-1 时间定义表事件类型发生时间主干道方向车辆到达交叉口i基本事件Z1P（，主干道方向车辆驶入交叉口i条件事件主干道方向车辆在交叉口i停车排队条件事件主干道方向车辆驶出交叉口i条件事件行人干扰基本事件Z3P（，车辆转弯基本事件Z2P（，3.1.3系统状态首先以绿灯启动为初始状态，用前面定义的系统状态变量描述其状态以及变化。系统状态变化函数，分段且循环，在绿灯状态下，各变量不随时间变化，红灯或黄灯状态个变量随时间发生相应变化。不同变量的变化函数不同。 3.2系统流程图本组使用的系统建模方法是实体流图法，由于各个交叉口由多个进口道组成，所以每个 由于采用离散事件建模方法，以车辆为实体研究，进口道就成为了本组研究过程中的最基本单位。下面就是本组运用实体流图法描述的单个进口道的状态变化情况图：图3-1 单进口实体流程图在该实体流图中，有车辆、检测器1和检测器2。车辆到达进口道即会接受检测器的检测，从而记录相关数据。其中，检测器1记录车速、车头时距、到达/出发时间、机动车数量；检测器2记录排队长度、到达/出发时间、机动车数量。系统永久实体是检测器1和2，有检测和记录两种活动，状态包括检测、记录、空闲三种状态。而主要描述的就是两个检测器组成的系统的状态变化。车辆为临时实体，本组以其流动作为主线，绘制出其流动过程。在这个系统状态变化的过程中，本组通过车辆位置的改变，分别考虑了车辆的行驶方向、信号灯颜色、是否有行人、是否与右侧车道合流共四种判定情况；在这个过程中，也就对应着检测器由检测记录空闲的一个变化过程。以下，是本组以上文单个进口道状态变化情况图为基础，将三个交叉口当做一个整体进行研究时的情况：图3-2 干线系统实体流程图4仿真建模4.1模型结构图4-1 模型结构4.2微观建模及算法4.2.1车辆到达模型干线信号协调控制评价系统模型里路段共有8个端点，即车辆产生点，这八处有两处是主干路端点，六处为支干路端点，采用泊松分布产生车辆，主干路和支干路关系：采用等时间步长模拟，t=1s，随机变量X为t时间内到达车辆数。则计算机随机产生01随机数：C=rand(1)；若CP,则产生一辆新车辆，车辆速度为保持不与前车相撞为要求，取=min(),D为两车间距。整个车辆产生模型前提为D，多条车道可同时进行此过程。4.2.2车辆行驶模型考虑到仿真的微观特性，我们采用了不同模型对车辆的行驶行为进行模拟，其中将交叉口和路段分类模拟。交叉口处车辆严格按照规定行驶，采取不能超车的跟驰模型，而在多车道路段上采取可以超车的换道模型，具体算法如下：a 加速模型：时，车辆加速，=min()；时，车辆减速，=。b 跟驰模型：式中 表示最小安全距离；表示车长，取固定值；v表示车辆行驶速度；c 换道模型：表示路段车道数，表示与相邻车道前后车距离，时，第k辆车换道超车。4.2.3车辆交叉口转弯模型与行人干扰相同，车辆转弯的发生采用泊松分布，随机变量X为t时间内转弯车辆数。则产生随机数C=rand（1），若CP，则车辆转弯驶出路网，不再计入系统。若C，则车辆直行，进行信号颜色判断。4.2.4信号灯判断模型信号灯都采取定时信号控制，第i个交叉口信号配时为Ci ，绿灯时长Gi ，判断过程如下：图4-2 信号判断流程若判断结果为绿灯，即则车辆可以进行行人过街干扰判断。若判断结果不是绿灯，即，则停车进行排队计算。4.2.5行人过街干扰模型行人干扰的发生采用泊松分布，随机变量X为t时间内干扰行人数。则产生随机数C=rand（1），若CP，则车辆需要停车排队等待行人通行，取=0，若C，则车辆驶入交叉口。整个车辆产生模型前提为D，多条车道可同时进行此过程。4.2.6 排队计数模型及算法排队模型采用多对多服务台先到先服务(FCFS)的排队规则与服务形式，车辆到达交叉口首先判断交叉口是否处于绿灯服务状态，若不是，则进行排队，若是则进行行人干扰判断。对每个车辆到达，都需选择最短排队长度的车道min()进行排队。基于排队模型，排队长度计数模型如下：若t时刻有，时，；若时，。4.2.7排队计时算法根据排队模型很容易得出排队时间算法：若t时刻有，时，；若时，。4.2.8延误算法信号交叉口机动车交通的延误是反映车辆在信号交叉口上受阻、行驶时间损失的评价指标。影响延误的因素众多，涉及交叉口几何设计与信号配时的各个方面，能够综合反映交叉口的几何设计、交通组织和信号配时的状况和问题。干线车辆延误分三部分，交叉口信控延误、行人干扰延误和。其中前两者想加为交叉口延误，而为路段换道延误。具体算法如下：4.3仿真策略本研究系统可分为五大模块与模型，在车辆产生模型里，各车辆产生须受到前车的限制，若前车位置靠近端点或速度较小，则新车辆不能产生，但在产生过程中，由于仿真模拟车流量相对较大，各车产生间隔小，相互联系密切，且在路段通行时车辆跟车，超车相互之间的影响也非常大，车流密度大带来的是超车须看后车超不超车，旁侧车道前后有无在安全距离内行驶的车辆等等，在交叉口通过时影响相对不大，各自方向的车辆进入各自功能车道，等待信号灯通行，在信号等模块中，路段长度、车辆速度、信号灯周期与相位差之间存在密切联系，而几个模拟策略里，事件调度法建模灵活，若系统中的各个成分相关性较少，宜采用事件调度法。相反，若成分相关性较强，活动持续时间难以预料，则宜采用活动扫描法；如果系统成分的活动比较规则，则宜采用进程交互法。所以综合考虑，我组采用活动扫描法对系统进行模拟。4.4进程推进机制针对系统推进机制，我们提出以下两种推进机制，时间步长法和事件步长法，并进行相应分析。1 时间步长法：按时间的先后顺序仿真系统发生状态变化，每隔一定的时间对系统状态进行一次考查，记录系统的状态并对需要的信息进行累计。图4-3 时间步长法推进示意在上图中，曲线箭头代表仿真时钟的推进，Si（i=1，2,3，）是任何类型的第i类事件发生的实际时间。在进行系统仿真的过程中，将整个过程分成许多相等的时间间隔，时间步长的长度根据实际问题分别取作秒、分、小时、天等。为了减小误差并且使得系统效率不至太低，根据车辆到达、离开规律，将其时间步长定为1s。开始进行系统仿真的过程时，设定一个系统的初始状态，即给系统中的全部实体、属性或活动预置初值，并给赋予仿真时钟一个初值。对实体顺序、活动顺序等进行考察，处理事件，判断是否有并发事件需要处理，改变系统状态并确定下一活动的延续时间。在考察完成后，仿真时钟前进一个步长，仿真完毕后输出结果，记录实体的属性值、随机变量的分布和统计量、供决策使用的指标等。图4-4 时间步长法推进机制时间步长法的简单方便，容易保持模拟时间与真实时间的比例，容易控制模拟运行速度，但是由于t终了时才处理在t中发生的事件，所以会造成误差，在实际事件并非同时发生的时候，模型却要决定先处理哪个事件，仿真时钟每推进一步，均要扫描实体、活动以确定是否有事件发生，增加了执行时间，效率低。本系统以1s为单位判断车辆的到达，且系统为连续变化，选用时间步长法较为合适，且误差较少。2 事件步长法：其仿真时钟步长由事件之间时间间隔决定，以事件发生时间为增量按照时间进展，一步步对系统行为进行仿真，只在事件发生节点上扫描系统，事件发生时间精确。仿真时钟按照下一个事件预计将要发生的时刻，以不等时间间隔向前推进。即仿真时钟跳跃性推进到下一事件发生的时刻。仿真时钟